Fortschritte bei der Synthese anorganischer Nanoröhren und Fulleren-artiger Nanopartikel

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1 Fortschritte bei der Synthese anorganischer Nanoröhren und Fulleren-artiger Nanopartikel Seminarvortrag zum anorganischen Kolloquium im WS 2006/2007 Quelle: Reshef Tenne, Angew. Chem., 2003, 115, Eder Andreas Regensburg, 21. Dezember 2006

2 Übersicht 1. Einleitung 2. Fortschritte bei der Festkörpersynthese von anorganischen Nanoröhren a) Metalldichalkogenide b) Metalldihalogenide c) Oxid-und Hydroxidnanoröhren 3. Eigenschaften von anorganischen Nanoröhren und mögliche Anwendungen

3 1. Einleitung Führen die reduzierten Dimensionen der Nanopartikel zu einem neuem Kristallmotiv oder vielleicht zu neuen physikalischen Phänomenen? (1) Schichtverbindungen für die Synthese von Nanomaterialien Bsp: Graphit und MoS 2 (1) [Reshef Tenne, Angew. Chem., 2003, 115, 5280]

4 1992 erstmals gezeigt, dass Instabilität hinsichtlich Faltung nicht nur auf Kohlenstoff beschränkt ist!

5 2. Fortschritte bei der Synthese 2.1 Synthese aus Metalldichalkogeniden: Beispiel: ReS 2 -Nanoröhren 700 C a) ReO H 2 S ReS H 2 O

6 2. Fortschritte bei der Synthese b) MWCNT (multi-wall carbon nanotube) als Templat: Lösung von NH 4 ReO 4 bzw. ethanol. Lösung von ReCl 3 zusammen mit MWCNT beschallen, trockenen und bei 1000 C mit H 2 S umsetzen.

7 2. Fortschritte bei der Synthese Beide Synthesewege zu ReS 2 -Nanoröhren werfen noch Fragen auf : - Weg der Diffusion des Schwefels in das Nanopartikel: durch die Van-der-Waals-Oberfläche oder durch gelegentliche Fehlstellen? - Zustand des Schwefels bei der Diffusion? - Zustand des Sauerstoffs bei Diffusion in entgegengesetzter Richtung?

8 2. Fortschritte bei der Synthese c) MX 3 -Verbindungen als Vorstufe für anorganische Nanoröhren M = Mo, W, Nb, Ta, Ti, Zr, Hf X = S, Se MX 3 : aus den Elementen oder aus Ammoniumthiometallaten (NH 4 ) 2 MS C C (NH 4 ) 2 S + MS 3 MS 3 H 2 >1000 C H 2 S + MS 2

9 2. Fortschritte bei der Synthese d) MX 2 -Nanoröhren durch CVT (chemical vapor transport) Abscheidung der Nanoröhren aus der Gasphase. Transport der Ausgangsverbindung mittels Trägermediums (z.b. Iod) entlang eines Temperaturgradienten. Problem: Atome des Transportmittels ersetzen teilweise Atome der entstandenen Nanoröhre!

10 2. Fortschritte bei der Synthese 2.2 Synthese aus Metalldihalogeniden: a) Sublimation von NiCl 2 -Pulver bei 960 C b) Laserverdampfung eines NiCl 2 -Targets

11 2. Fortschritte bei der Synthese Probleme bei der Synthese : Wasser dringt zwischen den Schichten der NiCl 2 -Plättchen ein Störung der Analytik durch Verdampfen Tendenz zur Halogenatomabgabe bei Laserverdampfung CCl 4 -Zugabe zum Ausgleich des Verlustes an Chlor

12 2. Fortschritte bei der Synthese 2.3 Synthese von Oxo-und Hydroxid-Nanoröhren: Schwieriger zu Nanoröhren zu falten aufgrund des größeren ionischen Bindungsanteils im Gegensatz zu den Metalldichalkogeniden-Analoga. Bsp: Nanoröhren aus H 2 Ti n O 2n+1 Umsetzung eines TiO 2 -SiO 2 -Pulvers mit NaOH-Lsg bei 130 C führte zu offenen Nanorollen der Form H 2 Ti 3 O 7. Genaue Struktur jedoch noch nicht bekannt! [G.H.Du, Appl. Phys. Lett., 2001, 82, 281]

13 2. Fortschritte bei der Synthese H 2 Ti 3 O 7 -Nanorolle:

14 3. Eigenschaften und mögliche Anwendungen von anorganischen Nanoröhren Stabilität von Nanoröhren: WS 2 -Nanoröhren besitzen hohe Stabilität Gegenüber Schockwellen: bis zu 21 GPa nur geringe Schäden am Gerüst! CNTs (carbon nano tubes): weniger stabil; schon bei 9 GPa Umwandlung zu Diamant. Anwendung v.a. in der Automobil-und Rüstungsindustrie

15 3. Eigenschaften und mögliche Anwendungen von anorganischen Nanoröhren Tribologische Eigenschaften von Nanoröhren: Problem von Schmiermittel bei starker Belastung: Kontaktfläche wird nicht mehr effektiv geschmiert. Kugelförmige Nanopartikel vermindern die auftretenden Scherkräfte zwischen den Kontaktflächen. WS 2 -Nanoplättchen verhindern durch Abblättern der Nanopartikel ebenfalls die Abnutzung und Reibung zwischen den Kontaktflächen. Anwendung v.a. bei Ölen und Schmierfetten sowie Beschichtungen von Keramiken und Polymeren

16 3. Eigenschaften und mögliche Anwendungen von anorganischen Nanoröhren Katalyse: Bsp: MoS 2 -Nanoröhren (NH 4 ) 2 MoS 4 + H 2 CO + 3H 2 MoS 2 + 2NH 3 + 2H 2 S CH 4 + H 2 O Schritte der Katalyse: 1. Adsorption von CO und H 2 auf die MoS 2 -Nanoröhre 2. Brechen der CO-Bindung um CH x -Spezies zu bilden 3. Hydrierung der CH x -Spezies

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18 Zusammenfassung Auch andere Schichtverbindungen (MoS 2, ReS 2, NiCl 2,...) außer Graphit falten sich spontan zu Nanoröhren. Aufgrund der Vielfalt ihrer physikalischen und chemischen Eigenschaften besitzen diese Nanostrukturen ein großes Anwendungspotential, welches aber in der Praxis meist schwer zu realisieren ist.